直流脉宽调速系统设计_

广西工学院鹿山学院

毕业设计（论文）

题 目： 直流脉宽调速系统设计

系 别： 电子信息与控制工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 讲师

二〇 一三 年 五 月 二十 日

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摘 要

本课题是对直流脉宽调速系统设计的研究，主要是实现电机的调速。因此在本次设计中对直流调速的原理直流调速控制方式以及调速的特性、PWM基本原理及实现方式进行了全方面阐述。

本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。

本设计建立了基于脉宽调制的转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型，并分析了系统的基本原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环直流脉宽调速系统的设计参数进行分析和计算。在理论分析和仿真研究的基础上，采用MATLAB软件对直流电动机双闭环直流脉宽调速系统进行计算机仿真,并查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。本文在MATLAB环境下建立了双闭环直流脉宽调速系统模型，并对系统的性能指标进行了仿真测试，与此同时建立了一套单闭环系统进行对比测试，表明所设计的双闭环脉宽调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。

关键词：直流调速系统；脉宽调制；转速电流双闭环；仿真

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Abstract

This paper is on the design of DC PWM speed system, mainly to achieve motor speed. Therefore, in the design of DC speed control principle of DC speed control and speed control characteristics, PWM basic principles and ways for all aspects of.

This paper introduces a design of DC PWM speed control technology of the DC motor speed control system based on. In order to obtain better dynamic and static properties, the control system adopts double closed loop control, while the speed regulator and current regulator with PI regulator.

A mathematical model based on speed and current double closed loop DC speed control of PWM is established in this paper and its principle, static and dynamic performance are analyzed. Then the system parameters are designed, analyzed and calculated according to the automatic control theory. Also, the speed control system of DC motor double closed loop is simulated by use of MATLAB, and the simulation waveforms are viewed in order to verify whether the design of the speed control system is feasible or not. A double closed loop DC PWM System model is established in the MATLAB environment, and the system performance is simulated and tested. At the same time, a single closed loop system is also established to carry out the comparison test, indicating that the operation of the design of double closed loop PWM System is stable and reliable and the system has a good static and dynamic performance, which can meet the design requirements.

Key Words: DC speed control system, Pulse width modulation, Speed and current double closed loop, Simulation

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目录

1. 绪论 ································· 1

1.1 课题的背景与意义 ························ 1 1.2 研究现状及发展趋势 ······················· 1 1.3 本文主要研究内容 ························ 2 2. 直流脉宽调速系统 ··························· 3

2.1 直流脉宽调速系统概述 ······················ 3 2.2 PWM脉宽调制 ··························· 3 2.2.1 PWM基本介绍 ························ 3

2.2.2 脉宽调制变换器分析 ····················· 4 2.3 采用双闭环直流调速系统的目的和意义 ··············· 6

2.3.1 转速、双闭环调速系统的组成 ················· 7 2.3.2 转速、双闭环调速系统的工作原理 ··············· 7 2.3.3 双闭环调速系统的起动特性 ·················· 9

3. 系统总体设计 ···························· 12

3.1 系统建立 ··························· 12 3.2 系统参数选取 ························· 12

3.2.1 PWM变换器滞后时间参数 ·················· 12 3.2.2 反馈系数的确定 ······················ 12 3.2.3 电流调节器ACR的参数计算 ················· 13 3.2.4 转速调节器ASR的参数计算 ················· 13 3.2.5 电动机参数计算 ······················ 14

4. 仿真 ································ 15

4.1 仿真模型的建立与设置 ···················· 15 4.2 单闭环系统仿真 ······················· 20 4.3 双闭环系统仿真 ······················· 22 4.4 结果分析 ·························· 24

总结 ·································· 26 致谢 ·································· 27 参考文献 ································ 28

III

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1 绪论

1.1 课题背景与意义

随着电力电子技术和控制技术的发展，20世纪末以交流调速为主导方向调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，她的控制技术已居于世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM调速系统的出现，弥补了这个空白。PWM调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1kHz可到达4kHz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围快，调速系统频带宽，快速响应好，动态抗扰能力强。

特别是近几年大功率CTR、GTO、IGBT的相继问世，促使其生产水平已达到4500V、2500A，组成的PWM变换器用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中，因此对PWM调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。

1.2 研究现状及发展趋势

国内外研究现状：

国内在70年代末期也相继开展了PWM系统的研究，就PWM控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计做了不少工作，取得了一些研究成果，在一定的范围内达到了工业推广水平，但是由于受到当时技术条件的限制，大功率晶体管的电压及电流等级还比较小，仅能做到几十瓦到十几千瓦，电压达到220V。近一二年来，巨型功率晶体管的电压与电流等级日益提高，制造出的PWM驱动装置的容量也原来越大，应用范围日益广泛。在一定功率范围内，由它取代晶闸管驱动装置，已成为明显趋势。直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力是相当大的。

国外于上世纪60年代研究PWM(脉冲宽度调制）控制技术，起初用于飞行器中小功率调速系统，70年代后期，在中等功率的直流调速系统上较为广泛地使用PWM驱动装置，到了80年代，PWM技术的应用已经普及。目前国外公司达到的制造水平是输出电压320V,电流300A,调制频率1～10kHz。调速范围达1：104，输出转矩150N·m。 目前，国内直流调速控制的发展走向主要有一下几个方面： 1. 提高调速系统的单机容量。

2.提高电力电子器件的生产水平，使变流器结构变得简单、紧凑。

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3.提高控制单元水平，使其具有控制、监听、保护、诊断及自动复原等多种功能

1.3 本文主要研究内容

本文从脉宽调制器的基本原理和双闭环直流调速系统入手，建立了双闭环直流脉宽调速系统的数学模型，并详细分析了该系统的工作原理。然后按照自动控制原理，该调速环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

本文的主要工作：

设计PWM脉宽调制直流调速系统的主电路和控制环节，在MATLAB中实现PWM脉宽调制直流调速系统设计和仿真。主要设计任务：

(1) 了解PWM脉宽调制技术的原理和主电路实现方案； (2) 熟悉PWM脉宽调制直流调速系统的结构和原理；

(3) 掌握PWM脉宽调制直流调速系统主电路的组成，掌握PWM脉宽调制直流调速系统控制环节的组成和工作原理；

(4) 完成PWM脉宽调制直流调速系统设计和仿真实验。

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2 直流脉宽调速系统

2.1 直流脉宽调速系统概述

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管、功率MOSFET、IGBT等。

为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统，简称直流PWM调速系统。

PWM型调速系统在近年来日益成熟，用途越来越广，与V-M系统相比，在许多方面有比较大的优越性：一.直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。二.主电路元件工作在开光状态，导通损耗小，效率高。三.系统快速响应性能好，动态抗扰能力高。四.低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽。五.开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小。六.主电路线路简单，需要的功率元件少。

2.2 PWM脉宽调制

2.2.1 PWM基本介绍

脉宽调制的基本原理：脉宽调制是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管、功率MOSFET、IGBT等。

PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置，电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。

为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。使直流电动机在起动过

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程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。

2.2.2 脉宽调制变换器分析

脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，下面对本课设用到的可逆做一下简单的介绍和分析。

可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2-1所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。

图2-1 可逆PWM变换器电路 （a）T型 （b）H型

T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件和四个续流二极管组成的桥式电路。

双极式可逆PWM变换器的主电路如图2-1（b）所示。（1）电路构成特点 。4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ub1Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2Ub3Ub1。它们的波形图如图2-2所示。

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图2-2 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

工作原理。如果电动机的负载较重，平均负载电流较大， VT1和VT4饱和导通；而Ub2和Ub3为负，VT2和VT3截止。这时，U5加在电枢AB两端，UABU5，电枢电流沿id回路１流通（见图2-2），电动机处于电动状态。在tontT时，Ub1和Ub4为负，VT1和VT4截止；Ub2和Ub3为正，在电枢电感释放储能的作用下，电枢电流经二极管VD2和VD3续流，在VD2和VD3上的正向压降使VT2和VT3的c-e极承受反压而不能导通，UABU5，电枢电流id沿回路2流通，电动机仍处于电动状态。有关参量波形图示于图2-2。

如果电动机负载较轻，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零。于是在

t2tT时，VT2和VT3的c-e极两端失去反压，并在负的电源电压（U5）和

电动机反电动势E的共同作用下导通，电枢电流id反向，沿回路3流通，电动机处于反接制动状态。在Ttt1（0tt1）时，Ub2和Ub3变负，VT2和VT3截止，因电枢电感的作用，电流经VD1和VD4续流，使VT1和VT4的c-e极承受反压，虽然Ub1和Ub2为正，VT1和VT4也不能导通，电流沿回路4流通，电动机工作在制动状态。有关参量的波形示于图3-2。

结论：双极式可逆PWM变换器的电流波形和不可逆但有制动电流PWM变换器的差不多，主要区别在于电压波形；前者，无论负载是轻还是重，加在电动机电枢两端的电压都在U5和U5之间变换；后者的电压只在U5和0之间变换。

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这里并未反映出“可逆”的作用。实现电动机制可逆运行，由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。如果正、负脉冲宽度相等，tonT/2，平均电压为零，这时电动机将会停止运转。因为双极式可逆PWM变换器电动机电枢两端的平均电压为 Ud

若仍以Ud/U5来定义PWM电压的占空比，则双极式PWM变换器的电压占空比为。改变即可调速，的变化范围为11。为正值，电动机正转；

为负值，电动机反转；0，电动机停止运转。在0时，电动机虽然不动，但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。

由于本次设计要求电机能实现启动、制动、正反转，并且能进行无极调速等。又根据双极式H型可逆PWM变换器具有的优点：1.电流连续；2.可使电动机实现四象限动行；3.在低速时，每个电力设备的驱动脉冲仍较宽，可靠导通器件；4.在电动机停止时产生的微振交变电流，可以有效的消除静摩擦死区；5低速平稳性好，可达到20000左右的调速范围。

综上，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。主电路如图2-3所示。

图2-3 H桥主电路

2.3 采用双闭环直流调速系统的目的和意义

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两

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个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域

2.3.1 转速.电流双闭环调速系统的组成

图.2-4为转速、电流双闭环调速系统原理图。为了使转速负反馈和电流负反馈，建立整个系统的电流调节器和速度调节器的ASR ACR。图3-2显示，电流调节器和电流检测反馈环和电流环；调速器ASR和速度检测反馈环节构成速度环，双闭环调速系统。由于速度环包围电流回路，使电流环为内环，速度环为外环。在电路中，串联ASR和ACR，ASR输出正比积分控制器，输入和输出设置一个限幅电路。ACR输出限幅为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大

*值。ASR输出限幅值为Uim，它决定了主回路中的最大允许电流Idm。

图2-4 双环调速系统原理图

2.3.2 转速、电流双闭环调速系统的工作原理

以便更清楚地理解速度的特性，电流双闭环直流调速系统，必须稳定的双闭环调速系统的结构框图，图2-5是双闭环调速系统的稳定结构。的输入输出信号的极性，ACR和ASR，主要取决于触发电路的控制电压的要求。如果对ACR的输

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出触发是积极的，对输入的总方向调节，要求ACR输入Ui*负；因此，在给定的

*输入电压Un是正的ASR的要求。

图2-5双闭环调速系统稳态结构图

以电流调节器ACR为核心的电流环。电流环由电流调节器ACR和电流负反馈环组成闭合回路，通过电流负反馈的作用去稳定电流。由于ACR为PI调节器，稳态时，其输入偏差电压为UiUi*UiUi*Id0，即Ui*/Id。其中

为电流负反馈系数。

当Ui*一定时，整流装置的输出电流由于电流负反馈的调节作用维持在Ui*/数值上。若出现IdUi*/情况时，自动调节过程为

IdUiUi*IdUctUdId (2-1) 保持稳定电流。当电流下降，也有调节过程是相似的。

转速环以转速调节器ASR为核心。转速环由转速负反馈环和转速调节器ASR组成闭合回路，转速负反馈的作用是维持转速稳定，并最终消除转速偏差。 由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足

***UnUnUnUnn0，即nUn/。 (2-2)

**当Un一定时，由于转速负反馈的调节，转速n将稳定在 nUn/数值上。当

*nUn/时，其自动调节过程为

*nUnUnnUiUctUdn(2-3)

最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。

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图2-6双闭环调速系统的动态结构图

2.3.3 双闭环调速系统的起动特性

* 双闭环调速系统的启动特性如图所示。在突加阶跃转速给定信号Un情况下，

*由于启动瞬间电动机转速为零，ASR的输入偏差电压UnUn，ASR饱和，输出*

先幅值为Uim，ACR的输出Uct及电动机电枢电流Id和转速n的动态响应过程可分

为三个阶段。在分析启动过程的阶段时，要抓住这样的几个关键：

IdIdL,dn/dt0，n升速； IdIdL,dn/dt0，n降速； IdIdL,dn/dt0，n=常数。

启动过程的第一阶段（电流上升）

* 原因：刚启动时，转速n为零，UnUnn为最大，它适速度调节器ASR*的输出电压Ui*迅速增大，很快达到限幅值Uim，见图2-7（a）和（b）。此时，*

作为电流环的给定电压，其输出电流迅猛上升，当IdIdm，标志电流上升过Uim

程结束，见图2-7（c）和（d）。

状态;ASR迅速达到饱和状态，不再起调节作用。因电磁时间常数TL小于机电时间常数Tm，Ui比Un增长快，这使ACR的输出不饱和，起主要调节作用。

*特征关系：Ui*/Id,UimIdm，为电流闭环的整定依据。

关键位置：A:IdIdL时，n开始升速；B:IdIdm时，快速启动。 启动过程的第二阶段（恒流升速）

原因：随着转速上升，电动机电动势E也上升，电流将从Idm有所回答。但由于电流调节器的无静差调节作用，使IdIdm，电流保持最大值，电动机转速直线上升，接近理想的启动过程。

状态：ASR保持饱和，ACR保持线性调节状态，Uct有调整裕量。

** 特征关系：UimUi,UiUimId0,Uct线性上升。

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* 关键位置：C:nn*,UnUnn。

启动过程的第三阶段（转速趋于稳定）

* 原因：随着转速n不断上升，当转速nn*时，UnUnn0。但此时

电枢仍保持最大值，电动机转速继续上升，从而出现了转速超调现象。

*当转速n大于n*时，UnUnn0,转速调节器的输入信号方向，输出下降，

ASR退出饱和。经ASR的调节，最终使n保持在n*的数值上，而ACR调节使IdIdL,见图2-7（d）和（e）。

*状态;ASR退出饱和，速度环开始调节，n跟随Un变化；ACR保持在不饱和状态，

Id紧密跟随Ui*变化。

特征关系：稳态时，调节输入/输出电压为

*UnUnn0 (2-4)

UiUi*Ui0 (2-5) Uct(Cen*RIdL)/Ks (2-6)

关键位置：D：dn/dt0，n为峰值；E：nn*,IdIdL稳态。

可以看出，转速调节器在电动机启动过程的第一阶段又不饱和到饱和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节状态；而电流调节器始终处于不饱和的线性调节状态。

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图2-7 .双闭环调速系统起动特性

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3 系统总体设计

3.1 系统建立

双闭环PWM直流调速系统的主电路采用H桥式电路；控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器ASR设置输出限幅。以限制最大起动电流。根据系统运行的需要，当给定电压后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动。使得电机转速很快上升，而达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系统很快达到稳态。

有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流可逆调速系统，已知电动机参数为：错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。，电枢电阻错误!未找到引用源。，电枢回路总电阻为错误!未找到引用源。，允许电流过载倍数错误!未找到引用源。；电磁时间常数错误!未找到引用源。，机电时间常数为错误!未找到引用源。，电流反馈滤波时间常数错误!未找到引用源。，转速反馈滤波时间常数错误!未找到引用源。。设调节器输入输

U=U=10V，电力电子开关频率为f = l kHz。试对该系统进行动态参nmim出电压

数设计。设计指标为：稳态无静差，电流超调量错误!未找到引用源。空载起动到额定转速时的转速超调量错误!未找到引用源。过渡过程时间错误!未找到引用源。

3.2 系统参数选取

PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当控制电压Uc改变时，PWM变换器输出平均电压Ud按现行规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T。

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3.2.1 PWM变换器滞后时间常数 PWM装置的延迟时间

TsT，变换器滞后时间常数一般选取为：

1Ts0.001sf

其中，f为开关器件IGBT的频率。

3.2.2 反馈系数的确定

转速反馈系数为：

*Unm100.05Vmin/rnmax200

电流反馈系数为：

*Uim101.351V/AIdm23.7

3.2.3 电流调节器ACR的参数计算

电流环小时间常数为：

TiToiTs0.0010.0010.002s

电流调节器超前时间常数为：

iTi0.015s

电流环开环增益：要求i5%，根据典型I型系统动态跟随性能指标和频

KT0.5域指标与参数的关系可知，应取Ii，因此：

0.50.5KI250s1Ti0.002

于是，ACR的比例系数为：

KR2500.0158KiIi4.63Ks4.81.351 3.2.4 转速调节器ASR的参数计算

为了加快转速的调节，转速环按典型II型系统设计，选中频段宽度h=5。 电流环超前时间常数为：

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hTi50.0090.045s

转速环小时间常数为：

Tn2TiTon0.0040.0050.009s

转速环的开环增益为：

h151K221481.5s222hTn2250.009 可得ASR的比例系数为 ： (h1)CeTm61.3510.120.2Kn5.42hRTn250.0580.009 3.2.5 电动机参数计算 UIRCe=NNa=0.11975nN

UfIf0.2ARf

30CeLaf==1.246HπIf

其中，错误!未找到引用源。为电动机常数，错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。分别为励磁电压和励磁电阻，UN、Ra、IN、nN、If错误!未找到引用源。分别为电动机额定电压、电枢电阻、额定电流、额定转速和励磁电流[7]。

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4 仿真

4.1 仿真模型的建立与设置

转速、电流双闭环直流脉宽调速系统在MATLAB中的仿真中，主电路由直流电动机本体模块、Universal Bridge桥式电路模块，负载和电源组成。控制电路由给定信号、转速调节器ASR、电流调节器ACR、PWM发生器、滤波环节、延迟环节等组成[8]。

4.1.1 电机模块的设置

电动机采用DC Machine模块，其模型和参数如图4-1所示。

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图4-1 电动机模型及参数设置

4.1.2 给定信号的建立

为了反映出此系统能够在四象限运行，给定信号从10到－10再到10，故给定信号模型采用多重信号叠加，运用了Constant、Sum模块组成，给定信号模型及参数设置如图4-2所示。

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图4-2 给定信号模型及参数设置

4.1.3 ASR、ACR模块的建立

ASR、ACR采用Discrete PI Controller模块即离散型PI控制器模块，ASR、

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ACR模型和参数如图4-3和图4-4所示。

图4-3 ASR模型及参数参数设置

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图4-4 ACR模型及参数设置

4.1.4 PWM及桥式电路模块的建立

PWM发生器采用两个Discrete PWM Generator模块，桥式电路模块采用Universal Bridge 模块。PWM发生器模型及封装后子系统和桥式电路模块如图4-5和图4-6所示。

图4-5 PWM发生器模型及封装后子系统

图4-6 桥式电路模块

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PWM模块自带三角波，其幅值为1，且输入信号在-1与1之间，输入信号同三角波信号相比较，比较结果大于0时，占空比大于50%，PWM波表现为上宽下窄，电动机正转；当比较结果小于0而大于-1时，占空比小于50%，PWM波表现为上窄下宽，电动机反转，此模块调制波设为外设，载波频率为1kHz。其次由于电动机运转时，H桥对角两管触发信号一致，为此采用Select模块，参数设置Input Type为Vector、 Elements为[1 2 4 3]，使得PWM发生器信号同H桥对角两管触发信号相对应[8]。

桥式模块采用Universal Bridge桥式模块，其参数设置为：整流桥臂数为2，电力电子装置为MOSFET/Diodes，其他参数为模型默认值。

4.1.5 其他模块的设置

由于ACR输出的数值在-10～10之间，为使ACR输出的数值同PWM发生器输入信号相对应，在ASR输出端加了一个Gain模块，参数为0.1。这样，当ASR输出限幅1时，PWM输入端PWM发生器为l，占空比为1；当ASR输出限幅为-10时，PWM输入端为-1，占空比为0。

PWM发生器的载波频率为1kHz，其直流电源参数为48V。由于电动机输出信号时角速度ω，须将其转化成转速(错误!未找到引用源。)。 4.2 单闭环系统仿真

为了更好的与双闭环PWM调速系统进行对比，了解双闭环PWM调速系统的优越性，为此本文先进行单闭环PWM调速系统的定性仿真。

主电路由直流电动机本体模块，Universal Bridge桥式电路模块、负载模块、电源模块组成。电动机本体模块参数为默认值。电源参数为220V，励磁电源为220V，负载为50。

控制电路由转速调节器ASR、PWM发生器、转速反馈和给定信号等组成。PWM模块载波频率为1080 kHz，反馈系数为0.1，给定信号开始为10，在2s时给定信号变为-10。

系统仿真参数设置：仿真中所选择的算法为ode23tb，Start设为0，Stop设为5s。

4.2.1 仿真模型

单闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型如图4-7所示。

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4.2.2 仿真结果

单闭环直流脉宽调速系统转速和电流曲线如图4-8和图4-9所示。

图4-7 单闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型

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图4-8 单闭环直流脉宽可逆调速系统转速曲线图

图4-9 单闭环直流脉宽可逆调速系统电流曲线图

4.3 双闭环系统仿真

4.3.1 仿真模型

双闭环PWM直流调速系统的定量仿真模型如图5-10所示。在双闭环PWM直流调速系统模型中把工程设计方法得到的调节器参数运用到了仿真模型中。

双闭环PWM直流调速系统与单闭环PWM直流调速系统的主电路相同，由给定模块，直流电动机本体模块、Universal Bridge桥式电路模块、负载模块、电源模块组成。只是负载转矩参数设置为0，直流电源参数设置为48V。桥式电路模块参数设置为：桥臂数为2，电力电子装置设为MOSFET/Diodes，其他参数为默认值。控制电路由滤波环节、延迟环节、反馈环节等组成，并根据工程设计方法得到的调节器参数应用到各个模块。

系统仿真参数设置：仿真中所选择的算法为ode23tb，Start设为0，Stop设为12s。

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4.3.2 仿真结果

双闭环PWM调速系统转速和电流曲线如图4-11和图4-12所示。

图4-10 双闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型

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图4-11 双闭环PWM直流调速系统转速曲线图

图4-12 双闭环PWM直流调速系统电流曲线图

4.4 结果分析

从仿真结果可以看出，在单闭环直流脉宽可逆调速系统性能要好于晶闸管控制的调速系统，表现为转速上升快，动态响应较快，开始起动阶段，功率器件处于全开状态，电流波动不大。但当转速达到稳态时，电力电子开关频率较高，电

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流呈脉动形式。

在双闭环直流脉宽可逆调速系统中，当给定信号为10V时，在电动机启动过程中，电流调节器作用下的电动机电枢电流接近最大值，使得电动机以最优时间准则开始上升，最高转速236r/min，态时转速为200r/min；给定信号变成-10V时，电动机从电动状态变成制动状态，当转速为零时，电动机开始反向运转，说明仿真模型及参数设置的正确性。

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总结

通过这次设计，我基本上掌握了直流脉宽调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算；第六，PWM脉宽调制系统的基本原理，组成，并分析了桥式可逆PWM的工作状态及电压、电流的波形；第七，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。

总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，遇到问题时学会了面对、分析、解决，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我收获颇丰。

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致 谢

本论文是在蓝老师的精心指导下完成的，因此首先感谢我尊敬的指导老师蓝会立老师。论文的选题、资料收集、整理上花费了蓝老师大量的心血，从论文的写作到修改定稿，都是在蓝老师指导下一步步完成的。正是由于他在从繁忙的工作之中抽出大量课余时间给我们予悉心指导，本论文才能够从一点点变成完整。在这里我要深深的感谢我们亲爱的蓝老师。在学习期间，蓝老师不仅在论文上、就业指导上给我指导，还教我很多道理，要不畏困难艰险，勇往直前。在我今后人生道路上的我收获了一笔笔宝贵的经验，这些经验都是财富。蓝老师认真求实的工作态度，让我学会脚踏实地，使我受益颇丰。在此，我向我的指导老师蓝会立老师致以我崇高的敬意和衷心的谢意。

通过这次设计使我们从中学到到了很多课本上学不到的知识，感谢电控系的老师们对我的教导和帮助。感谢他们在学术和工作上对我的指导和帮助，这一切都是我完成论文的重要保证。

在此期间，我还得到了班里同学的帮助，在此一并向他们表示感谢。感谢广西工学院鹿山学院对我的培养，感谢所有关心和帮助我的老师和同学。

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